[Перевод] Постоянны ли фундаментальные постоянные?
Постоянная борьба, неутихающая битва за достижение успеха в негостеприимном окружении — вот цена всех великих достижений.
— Орисон Свет Марден
Одно из величайших наших предположений, принимаемых во время изучения законов природы, состоит в том, что они на самом деле окажутся универсальными законами — безотносительно места и времени, в которое мы их изучаем.
Изучаем ли мы родную планету, нашу Галактику, ближайшие к нам галактики (как NGC 4522 на фото) или чрезвычайно удалённые от нас галактики (едва различимые на фоне), мы всегда предполагаем, что фундаментальным законам, управляющим Вселенной, в принципе всё равно, когда и как мы их измеряем.
Но ведь это может быть и не так.
Мы предполагаем, что во всей Вселенной законы и фундаментальные постоянные одинаковы — во все времена и во всех направлениях — поскольку всё выглядит именно так.
Галактики скапливаются одинаковым образом во всех наблюдаемых направлениях, с ними происходят сходные гравитационные явления, они показывают схожую внутреннюю динамику, вне зависимости от того, в какое место или время Вселенной мы заглядываем. Если бы это было не так, мы бы уже задались вопросом, не меняются ли законы гравитации или даже фундаментальная гравитационная постоянная, G, в зависимости от времени или места.
Точно так же, если бы электромагнитные или квантовые явления изменялись бы в зависимости от места или времени, или различались в зависимости от направления, мы могли бы переживать по поводу наших электромагнитных и квантовых законов и/или констант.
Исходя из ограничений реликтового излучения можно показать, что — с момента, когда Вселенной было 380 000 лет, до сегодняшнего времени, когда ей 13,8 млрд лет — скорость света могла бы изменяться не более, чем на 4% — впечатляющее ограничение!
Есть довольно много теоретических причин, по которым можно ожидать, что фундаментальные постоянные, такие, как постоянная Планка, скорость света, гравитационная постоянная Ньютона, останутся постоянными. Но всегда есть вероятность существования небольших колебаний значений этих параметров — во времени или в пространстве. Единственный способ убедиться — измерить их.
Как же это сделать? В теории всё просто.
Самый распространённый элемент во Вселенной — водород; количественно более 85% атомов во Вселенной составляют атомы водорода, даже спустя более 13 млрд лет сгорания водорода в ядерном синтезе в недрах звёзд. Выше показаны хорошо известные атомные переходы водорода. Так что, можно представить такой эксперимент: если измерить спектральные линии водорода во всех направлениях и на различных расстояниях (а значит, в разное время в прошлом), мы можем увидеть, поменялись или нет фундаментальные константы, определяющие эти частоты.
На практике мы можем сделать ещё лучше.
Водород испускает не только сигналы, связанные с его основной атомной структурой. В частности, я говорю о тонких и сверхтонких структурах атомных переходов и о тяжёлом и стабильном изотопе водорода, дейтерии.
Человек, разработавший лучшую технику измерения тонкой структуры на больших красных смещениях, и мировой эксперт в этой области — австралийский учёный Джон К. Вебб. Постоянная тонкой структуры — это комбинация из нескольких известных констант, среди которых заряд электрона, постоянная Планка, скорость света и π. Если бы одна из них менялась (маловероятно, что это была бы π), это стало бы удивительным известием! Мы так много времени уделяем постоянной тонкой структуры, поскольку её так точно измерили. Конкретно, эта постоянная, α, равна
Измеряя эту константу, Вебб (а он занимался этим ещё тогда, когда я начал учиться в аспирантуре) берёт лучшие из видимых мною спектров квазаров. В частности, он изучает линии поглощения промежуточных облаков водородного газа, находящихся между нами и квазаром. Вот пример из его работы от 2002 года.
Если постоянная тонкой структуры на самом деле не меняется, можно ожидать получения из этого спектра одинаковых свойств для всех поглощающих облаков водородного газа. Но команда Вебба обнаружила в спектрах доказательства противного (1, 2, 3, 4, 5, 6).
Они обнаружили — и обнаруживали постоянно в течение более десяти лет — то, что в далёком прошлом постоянная тонкой структуры была немного другой, отличаясь на несколько миллионных долей! Эффект этот мал, но их анализ ошибок уже изучали, проверяли, критиковали, — и всё равно многие независимые источники подтвердили его правильность. Грубо говоря, они занимаются наукой так, как это нужно делать.
И хотя наземные измерения показывают, что здесь у нас она за последние 4 с лишним млрд лет не менялась, это не значит, что она не может отличаться в других частях Вселенной, или же не менялась ещё раньше, чтобы стать постоянной только в последнее время. Эти данные ещё предстоит объяснить.
Конечно, всё это весьма противоречивые данные. В настоящий момент создаётся впечатление, что эти данные, несмотря на их подозрительность, надёжные. С самой работой можно ознакомиться по ссылке, и все изображения взяты из неё.
Как видно, кажущиеся вариации выглядят ещё более крупными — вплоть до 50 миллионных частей — если рассматривать отдельные системы. Но это не случайные пространственные вариации. Накоплено достаточно данных, подтверждающих, что даже если учесть случайные вариации, всё равно выходит, что в одном направлении во Вселенной эта константа оказывается больше, а в другом — меньше. Сейчас при помощи двух различных инструментов были измерены сотни разных систем, и результаты не только были подтверждены и выдержали проверку временем за последние десять лет, но и показали весьма большую значимость, порядка 5-σ. А это очень сильно раздражает.
Почему? Потому что им не существует хорошего и простого объяснения! Так что же происходит?
Недавно Джон Вебб написал статью по поводу этих результатов. Вкратце, он разработал эту новую технику обработки данных по линиям поглощения 12 лет назад, и она примерно на порядок лучше любых других технологий измерения этих вариаций, и, судя по всему, вариации оказываются в 4–5 раз больше погрешности. Константа изменяется в зависимости от направления в космосе, как для облаков с малым, так и с большим красным смещением, и её нельзя объяснить с использованием современной физики.
У меня нет хорошего теоретического объяснения этого факта. Среди тех объяснений, способных привести к такому эффекту, что я могу вообразить — к примеру, происходящая в этих облаках сегрегация элементов — нет физически разумных, и тем более, хорошо мотивированных. С точки зрения наблюдений я мог бы отметить, по меньшей мере, одну причину для сомнений. Данные получены от двух инструментов — обсерватории Кека и VLT. Хотя данные с Кека показывают результат с большой статистической значимостью, как на малых, так и на больших красных смещениях, данные с VLT не показывают такого результата на малых красных смещениях, и показывают не такой значимый результат на больших (всего 3-σ вместо 4 или 5-σ).
Всё, что можно сказать по этому поводу, уже сказали авторы: возможно, с этой технологией есть какие-то проблемы, или с ней связаны ошибки, которых мы не понимаем. Если бы у нас были только данные от VLT, мы бы не заметили ничего примечательного. Только комбинация данных с Кека и VLT показывает хороший результат.
Последствия этого эффекта столь тревожны, что я склонен требовать — как и в случае с нейтрино, якобы передвигавшихся быстрее света — экстраординарных доказательств, подтверждающих такие экстраординарные заявления. Как должны выглядеть эти доказательства? Отдаю должное Джону Веббу за прекрасное описание именно тех двух вещей, которые хотел бы видеть и я:
Подобные измерения в будущем, ведомые по двум противоположным направлениям, максимально увеличат чувствительность обнаружения, а повтор измерений на двух независимых телескопах лучше ограничит их систематику. Что ещё важнее, для проверки этих результатов требуется независимая техника измерений.
После того, как они определили направление этих вариаций постоянной тонкой структуры, в этих направлениях нужно смотреть при помощи нескольких инструментов! Если у всех инструментов будет наблюдаться сходный большой и независимый эффект, мы будем знать, что дело не в дефекте инструмента и не в малом количестве источников.
Если мы проведём такие измерения и эффект останется, то у нас будут все причины для уверенности в наших достижениях. Но всё равно это может оказаться странным артефактом этой техники, даже если будет непонятно, почему именно такое происходит. Так что для проверки требуется найти ещё и независимую технику измерений.
Для этого необходимо место атомных линий поглощения использовать ещё более точный переход — 21 см радиолинию нейтрального водорода! Потенциально она может быть ещё более точной, чем техника Вебба, и может измерять промежуточные газовые облака, находящиеся аж на расстоянии реликтового излучения, с красным смещением до 1089 (по сравнению с этим сегодняшнее «крупное красное смещение» размером в 3 или 4 выглядит смешно). Но на данный момент такое измерение способно ограничить постоянную тонкой структуры всего до нескольких тысячных долей. На практике для получения подобной точности необходимы финансовые влияния, находящиеся за пределами разумного.
Возможно, из-за этого Вебб так печально заканчивает свою статью:
Как я уже писал в начале, никто нам пока не верит, и нам предстоит долгое сражения. Иногда мне кажется, что я могу не дожить до появления доказательств. Работа технически сложная и требует получения очень большого количество данных с очень дорогих научных станций, а их анализ отнимает много времени и сил. Но иногда я более оптимистичен и напоминаю себе, что сейчас я жив и здоров, и работаю над этим.
Всё-таки это очень необычная заявка, но сделана она была не потому, что кто-то сделал что-то безумное. Сделана она потому, что некто сделал нечто удивительное, что только выглядит безумным! Так что эти утверждения действительно требуют экстраординарных доказательств, но именно их поиском и занимаются все, кто занят в этой области. Не могу дождаться, чтобы посмотреть, как оно всё обернётся!
